JP6343627B2 - 電気絶縁体実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、信号伝送技術に関するものであり、特に、電気絶縁体実装構造および電気絶縁体の製造方法に関するものである。

信号伝送の分野において、１つの電圧ドメインの回路から別の電圧ドメインの回路へ、または１つの媒体から別の媒体へ、信号やエネルギーを伝送しなければならないことがある。電圧ドメインや媒体が異なることによって、信号は、寄生路（parasitic path）により伝送中に周辺回路との干渉や周辺回路内での故障を起こし、損傷する可能性がある。回路の信頼性を考慮して、通常、電気絶縁体、結合器、または隔離バリア（isolation barrier）を用いて異なる電圧ドメインの回路間で信号を伝送し、回路を保護する。

電気絶縁体は、電源システム（例えば、電源、モータ制御システム、サーバー電源システム、家電機器）、照明制御システム（例えば、ＬＥＤコントローラ）、工業モータシステム（例えば、ロボットアーム、自動車モータ）等の電源供給回路の分野に幅広く応用可能である。上述した電源回路システムは、通常、制御回路により信号を生成するか、命令することにより、出力段回路を制御して、負荷にエネルギーを伝送する。

現在、電気絶縁体は、通常、光結合器、キャパシタ、または変圧器により実現される。光結合器を電気絶縁体として使用する場合、ＬＥＤの製造プロセスは、トランジスタの製造プロセス（例えば、ＣＭＯＳ製造プロセス）と互換性がないため、ＬＥＤは、光減衰や熱損失が生じる。そのため、ＬＥＤをチップに統合することができず、追加の実装が必要となる。しかし、チップに統合することのできる変圧器やキャパシタを電気絶縁体として使用する場合は、高周波信号を伝送して、効率の良い伝送を行う必要がある。その結果、このような電気絶縁体を設置した回路は、信号を伝送するために、追加の変調および復調機能が必要となる。したがって、電力消費量を削減し、且つ信号歪みを低減することのできる電気絶縁体をいかにして実現するかが、解決すべき課題となっている。

本発明は、コイルと磁界センサを電磁結合（magnetic coupling）することにより電気絶縁体の機能を実現する電気絶縁体実装構造および電気絶縁体の製造方法を提供する。

本発明の１つの実施形態において、電気絶縁体実装構造は、第１基板と、第２基板と、コイルと、磁界センサとを含む。コイルは、第１基板の上に配置される。磁界センサは、第２基板の上に配置される。コイルの位置を磁界センサの位置に応じて配置することにより、コイルが磁界センサに信号を伝送できるようにする。

本発明の１つの実施形態において、電気絶縁体の製造方法は、以下のステップを含む。第１基板の上にコイルを配置する。さらに、第２基板の上に磁界センサを配置する。コイルの位置を磁界センサの位置に応じて配置することにより、コイルが磁界センサに信号を送信できるようにする。

以上のように、本発明の実施形態において説明する電気絶縁体実装構造は、コイルと磁界センサを利用して、電磁結合により電気絶縁体の機能を実現する。本発明の実施形態の電気絶縁体は、チップ製造プロセスと組み合わせることができ、伝送される信号は、高周波信号または低周波信号であってもよいため、変調または復調する必要がない。したがって、本発明の実施形態のコイルおよび磁界センサにより実現される電気絶縁体は、電力消費量を削減し、信号歪みを低減する。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

本発明の１つの実施形態に係る電気絶縁体を有する回路を示す図である。 本発明の１つの実施形態に係る電気絶縁体の回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電気絶縁体実装構造を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電気絶縁体実装構造を示す図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る電気絶縁体実装構造を示す図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る電気絶縁体実装構造を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電気絶縁体の製造方法を示すフローチャートである。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る電気絶縁体１１０を有する回路１００を示す図である。回路１００は、電気絶縁体１１０と、第１回路１２０と、第２回路１３０と、負荷１４０とを含む。第１回路１２０の電源は、第１電圧ドメインＶＤ１に接続され、第２回路１３０の電源は、第２電圧ドメインＶＤ２に接続される。第１回路１２０は、入力段回路または制御回路であってもよく、第２回路１３０は、出力段回路であってもよい。負荷１４０は、第２回路１３０の出力端に接続される。

本実施形態において、第１電圧ドメインＶＤ１と第２電圧ドメインＶＤ２は、異なっていてもよい。回路１００は、電源回路システムに適用可能である。そのため、第２電圧ドメインＶＤ２は、使用する電源回路システムに応じて、２０Ｖ〜３５ｋＶであってもよい。第１電圧ドメインＶＤ１は、制御回路に通常使用される電圧範囲（例えば、１．２５Ｖ、３．３Ｖ、５Ｖ等）である。また、電源回路システムの異なる応用に応じて、負荷１４０は、電源、照明機器、モータ、家電機器、ロボットアーム、自動車モータ等であってもよい。しかしながら、本発明の実施形態は、これらに限定されない。

図２は、本発明の１つの実施形態に係る電気絶縁体１１０の回路図である。図２を参照すると、電気絶縁体１１０は、コイル２１０と、磁界センサ２２０とを含む。本実施形態において、磁界センサ２２０は、例えば、ホールセンサ（またはホールデバイスと称す）により実現される。コイル２１０の両端は、制御回路により制御される電流発生器に接続され、電流発生器が生成した電流は、コイル２１０を流れて磁界信号を生成する。したがって、電気絶縁体１１０がコイル２１０により磁界信号を出射し、磁界センサ２２０が磁界信号を受信して電圧信号に変換し、後方の回路に伝送することによって、電気絶縁体または電気結合の機能を達成する。実験からわかるように、磁界センサ２２０により生成される磁界信号および電圧信号は、動作周波数範囲が広いため（例えば、磁界信号および電圧信号は、１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの周波数で動作する）、必要に応じて、低周波数または高周波数信号伝送に適応する。

コイル２１０および磁界センサ２２０は、いずれも半導体製造プロセスで実現できるため、電気絶縁体１１０を追加で実装しなくてもチップに統合しやすい。そのため、製造コストおよび実装コストが下がる。現在利用可能な変圧器またはコンデンサを使用して電気絶縁体を実現する場合、通常、変調器または復調器を使用して信号を信号伝送中に変調または復調し、伝送を適切に行う必要がある。しかしながら、変調および復調は、信号波形をわずかにひずませる恐れがある。逆に、本発明の実施形態の電気絶縁体１１０は、第１回路１２０により図１の電気絶縁体に入力された制御信号（例えば、ＰＭＷ信号）を直接使用して、図２のコイル２１０は、変調器または復調器を使用しなくても、電流符号器または電流発生器により磁界信号を生成することができる。その結果、磁界センサ２２０は、信号を変調または復調する操作を行わなくても、磁界信号を介して制御信号の内容を直接取得することができるため、信号歪みを防ぐことができる。つまり、本発明の本実施形態の電気絶縁体１１０は、信号の変調および復調を行う必要がないため、電力消費量を削減し、信号歪みを低減する。さらに、本発明の本実施形態において説明した電気絶縁体実装構造は、ノイズフィルタ用モジュールを備える必要がなく、ループ遅延が生じないため、回路の動作速度および回路ループの安定性が向上する。

図３は、本発明の第１実施形態に係る電気絶縁体実装構造３００を示す図である。図３は、電気絶縁体実装構造３００を単一のチップで実現する場合の例を示したものである。電気絶縁体実装構造３００は、主に、第１基板３１０と、第２基板３２０と、コイル３３０と、磁界センサ３４０とを含む。第１基板３１０および第２基板３２０は、Ｐ型シリコン構造であってもよい。本実施形態において、第２基板３２０は、チップ基板として用いられ、第１基板３１０は、電位分離層３５０を介して第２基板３２０の中に配置される。第１基板３１０は、第１表面Ｓ１、および第１表面Ｓ１に向かい合う第２表面Ｓ２を有する。第２基板３２０は、第３表面Ｓ３、および第２表面に向かい合う第４表面Ｓ４を有する。コイル３３０の位置を磁界センサ３４０の位置に応じて配置することにより、コイル３３０が磁界センサ３４０に信号を伝送できるようにする。電気絶縁体実装構造３００を単一のチップ上で実現するため、電位分離層３５０を第１基板３１０と第２基板３２０の間に配置して、第１基板３１０および第２基板３２０の電位を分離する。

以下、第１基板３１０およびコイル３３０について、詳しく説明する。第１基板３１０の第１表面Ｓ１は、コイル３３０の他に、さらに、複数の第１パッド３６０、およびその上にある入力アンプ３７０を有する。しかしながら、言及すべきこととして、本発明はこれに限定されない。コイル３３０の位置は、磁界センサ３４０の位置に応じて配置される。入力アンプ３７０の入力端は、複数の第１パッド３６０およびワイヤを介して入力段回路に結合される。つまり、ワイヤおよび第１パッド３６０を介して入力段回路を入力アンプ３７０の入力端に結合し、入力アンプ３７０に入力信号を伝送する。入力アンプ３７０の出力端をコイル３３０の両端に接続することにより、コイル３３０が入力アンプ３７０により伝送された入力信号を用いて磁界結合により第２基板３２０の第２表面Ｓ３の磁界センサ３４０に磁界信号を送信できるようにする。本実施形態において、コイル３３０の位置は、磁界センサ３４０の上方であり、コイル３３０と磁界センサ３４０の間に磁界信号と干渉しない絶縁層が配置される。別の実施形態において、コイル３３０の位置を磁界センサ３４０の下方または両側にして、コイル３３０の磁界信号を磁界センサ３４０に送信してもよい。

以下、第２基板３２０および磁界センサ３４０について、詳しく説明する。第２基板３２０の第３表面Ｓ３は、磁界センサ３４０の他に、さらに、複数の第２パッド３８０、およびその上にある出力アンプ３９０を有する。出力アンプ３９０の受信端は、磁界センサ３４０の出力端に結合され、出力アンプ３９０の出力端は、第２パッド３８０に結合される。つまり、磁界センサ３４０は、出力アンプ３９０を介して第２パッド３８０に電気接続される。出力段回路は、ワイヤを介して第２パッド３８０に結合される。したがって、磁界センサ３４０が磁界信号を受信した時、磁界センサ３４０は、磁界信号を出力信号に変換して、出力信号を出力アンプ３９０に提供する。本実施形態において、ここでの出力信号は、電圧信号である。出力アンプ３９０が出力信号を増幅した後、出力アンプ３９０の出力信号は、ワイヤおよび第２パッド３８０を介して出力段回路に伝送される。したがって、出力段回路は、出力信号により出力段回路の出力端に結合された負荷にエネルギーまたは信号を提供する。

図４は、本発明の第２実施形態に係る電気絶縁体実装構造４００を示す図である。図４と図３の相違点は、図４の実施形態において、第１基板４１０がチップ基板として用いられ、第２基板４２０が電位分離層４５０を介して第１基板４１０の中に配置されることである。図４のコイル４３０、磁界センサ４４０、第１パッド４６０、入力アンプ４７０、第２パッド４８０、および出力アンプ４９０は、図３のコイル３３０、磁界センサ３４０、第１パッド３６０、入力アンプ３７０、第２パッド３８０、および出力アンプ３９０に類似する。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る電気絶縁体実装構造５００を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、電気絶縁体実装構造５００が２つのチップにより実現される場合の例を示したものである。電気絶縁体実装構造５００は、主に、第１基板５１０と、第２基板５２０と、コイル５３０と、磁界センサ５４０とを含む。第１基板５１０は、第１表面Ｓ１と、対応する第２表面Ｓ２とを含み、第２基板５２０は、第３表面Ｓ３と、対応する第４表面Ｓ４とを含む。第１基板５１０および第２基板５２０は、異なるチップに属する。本実施形態において、第１基板５１０の第１表面Ｓ１は、コイル５３０、複数の第１パッド５６０、およびその上に配置された入力アンプ５７０を有する。第２基板５２０の第３表面Ｓ３は、磁界センサ５４０、複数の第２パッド５８０、およびその上に配置された出力アンプ５９０を有する。２つの基板５１０および５２０を配置した後（図５（ａ）に示す）、本実施形態は、第１基板５１０の第２表面Ｓ２を第２基板５２０の第３表面Ｓ３の上方に配置し（図５（ｂ）に示す）、コイル５３０を磁界センサ５４０のすぐ上方に配置することにより、コイル５３０と磁界センサ５４０の間の距離を最小化する。したがって、コイル５３０は、磁界センサ５４０に磁界信号を伝送することができる。図５（ａ）および図５（ｂ）のコイル５３０、磁界センサ５４０、第１パッド５６０、入力アンプ５７０、第２パッド５８０、および出力アンプ５９０は、図３および図４において同じ名称を有する構成要素に類似するため、ここでは繰り返し説明しない。いくつかの実施形態において、コイル５３０の位置は、磁界センサ５４０の下方または両側であってもよい。例えば、第１基板５１０は、第２基板５２０の下方に配置されてもよい。言及すべきこととして、上述した構成要素の配置／位置は、図５（ａ）および図５（ｂ）の開示に限定されず、適切に調整することができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る電気絶縁体実装構造６００を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、電気絶縁体実装構造６００が３つ以上のチップにより実現される場合の例を示したものである。図６（ａ）および図６（ｂ）と図５（ａ）および図５（ｂ）の間の相違点は、図６の電気絶縁体実装構造６００が、第１基板６１０および第２基板６２０の他に、さらに、第３基板６１５を含むことである。つまり、第１基板６１０、第２基板６２０、および第３基板６１５は、異なるチップに属してもよい。本実施形態において、第１基板６１０の第１表面Ｓ１は、コイル６３０、およびその上にある複数の第１パッド６６０のみを含む。第１パッド６６０とコイル６３０の両端は、互いに電気接続される。入力アンプ６７０は、第１基板６１０の上に配置されず、第３基板６１５の上に配置される。

言及すべきこととして、第３基板６１５の上に制御回路６７５を配置して、第３基板６１５を有するチップを制御チップとして使用してもよい。詳しく説明すると、本発明の本実施形態において、入力アンプ６７０は、制御回路６７５に統合され、制御回路６７５は、第３基板６１５内の複数の第３パッド６６５に電気接続されて、コイル６３０に結合される。コイル６３０は、第１基板６１０の第１表面Ｓ１の第１パッド６６０に接続される。制御回路６７５は、第３基板６１５内の第３パッド６６５、第１基板６１０内の第１パッド６６０、およびその中のワイヤを介してコイル６３０に電気接続される。制御回路６７５は、第３パッド６６５を介して他のチップ上の回路に接続して、対応する機能を達成してもよい。本実施形態において、制御回路６７５は、さらに、入力アンプ６７０と、電流符号器と、電流発生器とを含む。電流符号器は、制御信号を受信して、電流発生器で制御信号を電流に変換することにより、磁界信号を生成する。図６（ａ）および図６（ｂ）のコイル６３０、磁界センサ６４０、第１パッド６６０、入力アンプ６７０、第２パッド６８０、および出力アンプ６９０は、図３、図４、図５（ａ）および図５（ｂ）において同じ名称を有する構成要素／機能に類似するため、ここでは繰り返し説明しない。

図７は、本発明の第１実施形態に係る電気絶縁体の製造方法を示すフローチャートである。図７を参照すると、ステップＳ７１０において、第１基板の上にコイルを配置する。第１基板は、第１表面、および対応する第２表面を有する。ステップＳ７２０において、第２基板の上に磁界センサを配置する。第２基板は、第３表面、および対応する第４表面を有する。コイルの位置を磁界センサの位置に応じて配置することにより、コイルが磁界センサに信号を送信できるようにする。電気絶縁体の製造方法に関する詳細については、上述した実施形態において開示してある。しかしながら、言及すべきこととして、図３〜図６（ｂ）の電気絶縁体実装構造は、いずれも必要に応じて適切なステップを行うことにより実現することができる。

以上のように、本発明の実施形態において説明する電気絶縁体実装構造は、コイルと磁界センサ（例えば、ホールセンサ）を利用して、電磁結合により電気絶縁体の機能を実現する。本発明の実施形態の電気絶縁体は、チップ製造プロセスと組み合わせることができ、伝送される信号は、高周波信号または低周波信号であってもよいため、変調または復調する必要がない。したがって、本発明の実施形態のコイルおよび磁界センサを用いて実現される電気絶縁体は、電力消費量を削減し、信号歪みを低減する。さらに、本発明の実施形態において説明する電気絶縁体実装構造は、変調／復調／ノイズフィルタ用モジュールを備える必要がないため、動作速度および回路ループの安定性を向上させる。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

本発明は、電気絶縁体、結合器、隔離バリア等の回路内に使用される電気絶縁体の実装構造および電気絶縁体の製造方法を提供する。

１００ 回路
１１０ 電気絶縁体
１２０ 第１回路
１３０ 第２回路
１４０ 負荷
ＶＤ１ 第１電圧ドメイン
ＶＤ２ 第２電圧ドメイン
２１０ コイル
２２０ 磁界センサ
３００、４００、５００、６００ 電気絶縁体実装構造
３１０、４１０、５１０、６１０ 第１基板
３２０、４２０、５２０、６２０ 第２基板
３３０、４３０、５３０、６３０ コイル
３４０、４４０、５４０、６４０ 磁界センサ
３５０、４５０ 電位分離層
３６０、４６０、５６０、７６０ 第１パッド
３７０、４７０、５７０、６７０ 入力アンプ
３８０、４８０、５８０、６８０ 第２パッド
３９０、４９０、５９０、６９０ 出力アンプ
Ｓ１ 第１表面
Ｓ２ 第２表面
Ｓ３ 第３表面
Ｓ４ 第４表面
６１５ 第３基板
６６５ 第３パッド

Claims (12)

1. チップ基板としての第１基板と、
   前記第１基板内に設置され、電位分離層によって前記第１基板と分離される第２基板と、
   前記第１基板の上に配置されたコイルと、
   前記第２基板の上に配置された磁界センサと、
   を含み、
   前記電位分離層が前記第１基板と前記第２基板との間に配置され、
   前記コイルの位置を前記磁界センサの位置に応じて配置することにより、前記コイルが前記磁界センサに信号を伝送できるようにした電気絶縁体実装構造。
2. 前記磁界センサが、ホールセンサである請求項１に記載の電気絶縁体実装構造。
3. 前記第１基板の上に配置された入力アンプ
   をさらに含み、前記入力アンプが、前記コイルの両端に接続された請求項１に記載の電気絶縁体実装構造。
4. 前記第１基板が、複数の第１パッドを含み、前記コイルが、前記入力アンプを介して前記第１パッドに電気接続された請求項３に記載の電気絶縁体実装構造。
5. 複数のワイヤおよび前記第１パッドを介して前記入力アンプの入力端に結合され、前記入力アンプに入力信号を伝送する入力段回路
   をさらに含む請求項４に記載の電気絶縁体実装構造。
6. 前記第２基板の上に配置された出力アンプ
   をさらに含み、前記出力アンプが、前記磁界センサの出力端に接続された請求項１に記載の電気絶縁体実装構造。
7. 前記第２基板が、複数の第２パッドを含み、前記磁界センサが、前記出力アンプを介して前記第２パッドに電気接続された請求項６に記載の電気絶縁体実装構造。
8. 複数のワイヤおよび前記第２パッドを介して前記出力アンプの出力端に結合され、前記出力アンプの出力信号を受信する出力段回路
   をさらに含む請求項７に記載の電気絶縁体実装構造。
9. 前記出力段回路の前記出力端に結合された負荷
   をさらに含む請求項８に記載の電気絶縁体実装構造。
10. 第３基板と、
    前記第３基板の上に配置され、前記第３基板内の複数の第３パッドに電気接続された制御回路と、
    をさらに含み、前記コイルが、前記第１基板の第１パッドに接続され、前記制御回路が、前記第３基板内の前記第３パッドおよび前記第１基板内の前記第１パッドを介して、前記コイルに電気接続された請求項１に記載の電気絶縁体実装構造。
11. 前記第１基板を前記第２基板の上方に配置することにより、前記コイルの前記位置が前記磁界センサのすぐ上方になるようにした請求項１に記載の電気絶縁体実装構造。
12. 第３基板と、
    前記第３基板の上に配置され、前記第３基板内の複数の第３パッドに電気接続された制御回路と、
    をさらに含み、前記コイルが、前記第１基板の第１パッドに接続され、前記制御回路が、前記第３基板内の前記第３パッドおよび前記第１基板内の前記第１パッドを介して、前記コイルに電気接続された請求項１１に記載の電気絶縁体実装構造。